面向综合需求工程的环境可持续性需求规范层级研究

　　本文针对机械工程领域在产品开发早期阶段难以有效整合可持续性指标的挑战，提出了一种通过建立环境可持续性需求规范层级（SL）来系统性地将可持续性融入需求工程的新方法。该研究定义了从SL 0到SL 4的五个层级，涵盖了可持续性评估方法、数据质量、参考产品和验证流程等方面，为在不同数据可用性阶段制定和验证可持续性需求提供了结构化框架。通过在案例研究中开发迭代产品，验证了该方法的有效性，为实现可持续产品开发中的可追溯性和稳健决策支持提供了重要工具。

　　

在当今追求可持续发展的全球背景下，机械工程领域面临着一个核心困境：如何在产品开发的早期阶段，即关键决策制定之时，就将环境可持续性有效地纳入考量？这个阶段往往缺乏可靠的产品特定数据，使得评估环境影响变得异常困难。尽管存在多种可持续性评估方法，如生命周期评估（LCA），但它们通常复杂、耗时，且多用于事后评估，难以在开发初期指导设计决策，从而导致额外成本而非发掘创新潜力。此外，将高层次的企业可持续性战略分解为具体的产品属性（如尺寸、功能）也缺乏系统的方法。面对像《企业可持续发展报告指令》（CSRD）这样的法规要求，企业迫切需要将可持续性指标整合到产品开发流程中。需求工程作为产品开发的逻辑起点，被认为是完全整合可持续性视角的理想环节，但可持续性需求的结构与传统需求不同，其制定和验证面临独特挑战，亟需结构化的解决方案。

为此，发表在《Cleaner Environmental Systems》上的研究论文《Environmental Sustainability Requirement Specification Levels for Comprehensive Requirements Engineering》由达姆施塔特工业大学的Niklas Quernheim和Benjamin Schleich提出了一种新颖的方法，旨在通过建立环境可持续性需求的规范层级（Specification Levels, SL），为在产品开发过程中系统性地整合可持续性需求提供一个结构化的框架。这项研究的核心目标是解决可持续性需求制定中的模糊性和数据依赖性难题，使可持续性目标能够像功能、质量、成本和时间等传统开发目标一样，被清晰地定义、迭代地细化、并有效地验证。

为了开展这项研究，研究人员采用了系统性的研究方法。首先进行了广泛的文献综述，分析了科学出版物和标准，以识别可持续性需求、可持续性管理和产品开发领域的知识空白。其次，分析了可持续性管理的现状，包括审查现有的行业标准和框架（如生态设计法规、可持续发展目标SDGs、GRI标准等）。接着，对可持续性评估方法进行了分析、审查和分类，基于适用性、全面性和易实施性等标准评估了22种方法。此外，还通过与学术界和工业界专业人士的专家访谈，获取了现实世界的见解，进一步细化了所提出的方法。最后，通过一个机械工程产品的案例研究，演示了所提出的规范层级框架在需求制定阶段的应用和有效性。

研究提出的规范层级框架包含从SL 0到SL 4五个层级，每个层级都在描述的详细程度、数据质量和验证严格性上逐步提升。

规范层级的结构

研究构建了一个详细的表格来定义每个规范层级的特征。每个层级都通过定性描述和需求表述示例来具体说明。关键要素包括参考产品的必要性、数据质量评级（DQR）、可持续性评估方法以及验证流程。

• •
  SL 0 是最抽象的层级，旨在确保可持续性指标至少出现在需求目录中，无需工具、数据或专业知识。
• •
  SL 1 涉及定义用例和上下文，进行抽象的产品功能描述，通常使用定性评估或专家知识。
• •
  SL 2 通过简化工具进行粗略分析，并与参考产品进行一般性比较，为指标设定粗略目标，方法包括简化LCA或投入产出分析。
• •
  SL 3 对指标进行量化目标范围设定，执行部分使用可靠初级数据的全面评估，方法如半定量LCA或从摇篮到大门（Cradle-to-Gate）评估。
• •
  SL 4 是最高层级，要求对产品进行完整的可持续性评估，考虑整个生命周期，使用可靠的产品特定初级数据，并定义绝对限值，评估方法为完整的LCA或产品环境足迹（PEF）。

规范层级的应用方法

研究还提出了一种在产品开发过程中应用规范层级的方法。该方法被集成到一个阶段-门禁（stage-gate）产品开发流程中，并引入了三个可持续性门禁。其核心流程包括：首先选择可持续性指标（如产品碳足迹PCF）；然后计算当前数据的数据质量评级（DQR）；接着选择合适的参考产品；执行相应的可持续性评估方法；最后根据层级要求进行验证。这个过程是迭代的，随着开发阶段的推进和数据可用性的增加，可持续性需求可以不断精炼，向更高的规范层级迈进。

示范性应用

为了验证所提出方法的有效性，研究以一个名为“饮水模块”的办公站模块的产品迭代开发作为案例。该产品之前缺乏明确的可持续性需求，因此适合作为应用新框架的范例。研究人员在需求定义阶段应用了该框架。他们选择了产品碳足迹（PCF）作为关键可持续性指标，并计算了参考产品的数据质量评级（DQR），结果为1.8，符合SL 3的阈值。参考产品被确定为内部迭代产品。对参考产品进行了从摇篮到大门的半定量LCA，计算出其碳足迹为4.51 kg CO₂e。基于这些信息，研究为新产品迭代制定了从SL 0到SL 3的可持续性需求。例如，SL 0的需求是“PCF指标应出现在需求列表中”；SL 2的需求是“新产品的从摇篮到大门的CO₂e应低于上一代产品”；SL 3的需求则具体化为“总碳足迹不应超过4.5 kg CO₂e”。这些需求在系统建模语言（SysML）工具（如Cameo）中进行建模，将规范层级作为属性集成到需求中，确保了可追溯性，并为每个需求定义了相应的测试用例和验证责任。

研究的讨论部分指出，规范层级的设计灵感来源于Rupp的一般规范阶段，但其实际效用和粒度需要通过实际应用进一步验证。SL 0为整合可持续性提供了低门槛的起点，而SL 4则代表了目前因早期开发阶段缺乏全面生命周期数据而往往难以达到的最佳实践。其中一个关键点是SL 4要求定义产品的绝对排放阈值，但这一定义和分配仍是科学和政治争论的议题。框架依赖于准确的参考数据，这对数据质量评级至关重要，虽然DQR目前缺乏标准化基准，但其定性标准（如代表性、完整性）提供了有价值的指导。此外，评估方法的选择是开放性的，随着可持续性评估工具的发展而演变。尽管示范应用基于机械工程产品，但该方法可广泛适用于所有物理产品类型。该方法的科学价值在于为可持续性需求集成提供了一个结构化和迭代的方法，通过将规范层级与生命周期评估结果联系起来，增强了可持续性目标的透明度、可追溯性和迭代细化能力。

研究结论强调，本文提出的可持续性需求规范层级解决了在机械工程领域早期制定聚焦可持续性的产品需求的关键空白。该框架通过为每个层级提供清晰的指导，有助于系统性地制定、规范和验证可持续性目标。通过根据数据质量和可用参考产品指导选择合适的规范层级，该方法确保了可持续性目标的现实性和上下文相关性。这种迭代过程支持持续改进，使可持续性需求随着更详细数据的获取而不断演化。最终，规范层级的结构化使用弥合了高层次可持续性目标与可操作产品需求之间的差距，培育了一个透明、可追溯的开发过程，使技术进步与环境目标保持一致。展望未来，规范层级有望成为产品审批流程中的基准，通过实现更高级别的规范层级来表明产品的可持续性成熟度和稳健性，这不仅有助于满足监管和利益相关者的期望，还能通过将可持续性考量早期嵌入开发阶段来促进创新。未来的工作将包括将该方法应用于更复杂的产品和场景，并致力于标准化数据质量评级和细化评估方法。